LABORATORIO DI GEOFISICA APPLICATA AI BENI ARCHEOLOGICI E MONUMENTALI Responsabili: Giovanni Leucci, Raffaele Persico Il laboratorio di Geofisica Applicata ai Beni Archeologici e Monumentali si occupa dei diversi aspetti legati a:

1. Indagini geofisiche integrate per studi geologici, geotecnici, idrogeologici ambientali; 2. Integrazione di metodi fisici e geofisici per la diagnostica non distruttiva di Beni Culturali; 3. Metodi geofisici applicati all’ingegneria e all’archeologia; 4. Acquisizione e trattamento dei dati di sismica a riflessione, a rifrazione e tomografia sismica in

trasmissione e a rifrazione; 5. Sperimentazione di tecniche di visualizzazione 2D e 3D per l’analisi e l’interpretazione di dati geofisici; 6. Problemi inversi e modellazione di dati di tomografia sismica, GPR e di resistività elettrica; 7. Indagini microgravimetriche per applicazioni ambientali; 8. Analisi geostatistica dei dati relativi alla presenza di inquinanti nella falda acquifera e modelli di

diffusione di questi ultimi nella falda stessa;

Tecnologie utilizzate dal laboratorio

• Apparecchiatura digitale per misure con ultrasuoni a contatto, per la caratterizzazione meccanica di provini e campioni di laboratorio di marmo, rocce sedimentarie compatte e calcestruzzo. La strumentazione può essere impiegata anche per indagini non invasive in situ per l’individuazione di disomogeneità e fratture.

• Strumentazione per indagini soniche ed ultrasoniche multicanale a contatto su strutture in muratura

finalizzate a qualificare lo stato di conservazione, individuare fessure e valutare il grado di omogenità dei materiali.

• Strumentazione geoelettrica Syscal Kid Switch 24 per il rilevamento e la localizzazione di oggetti

sepolti o immersi in strutture murarie

• Sistema georadar impulsato RIS MF Hi-Mod per il rilevamento e la localizzazione di oggetti sepolti o immersi in strutture murarie. Il sistema e’ corredato da quattro antenne a frequenza centrale nominale di 200, 400, 900 e 2000 MHz. Le antenne a 200 e 400 MHz sono site in un'unica box, e il sistema può funzionare ad uno o due canali. Le antenne a 900 e 2000 MHz possono essere usate separatamente o anche insieme in una box, costituendo opzionalmente un ulteriore sistema a due canali in alta frequenza.

• Sistema georadar stepped frequency riconfigurabile prototipale per il rilevamento e la localizzazione di oggetti sepolti nel sottosuolo. Il sistema è in grado di tagliare le antenne in trasmissione e ricezione mediante la chiusura e l’apertura di opportuni interruttori in funzione della frequenza. In questo modo tre coppie di antenne equivalenti possono essere usate per una copertura complessiva di banda che spazia da 50 MHz ad 1 GHz. Possono essere modulati in funzione della frequenza anche la potenza trasmessa ed il tempo di integrazione delle armoniche, in modo da poter allargare la banda equivalente di ogni coppia di antenne equivalenti e soprattutto in modo da rejettare meglio interferenze a banda stretta, senza eccessivi aumenti del tempo di misura complessivo richiesto.

• Strumentazione sismica Geode a 24 canali per il rilevamento, la localizzazione di oggetti sepolti e la caratterizzazione fisico-meccanica dei mezzi investigati.

• Termocamera FLIR SC660 con sensore FPA Microbolometrico non raffreddato (640x 480 pixel) con risoluzione termica <45mK a 30°C. Frequenza di acquisizione immagine: 30 Hz. Risoluzione spaziale: 0,65 mrad (con lente da 24°). Precisione nella misura: +/- 1% o +/- 1° da -40° fino a 120°, +//-2° o +/-2% nel resto del campo di misura; Campo di misura: da -40°C a +1500°C.

In particolare i metodi della geofisica vengono applicati a

INGEGNERIA Metodi indiretti non distruttivi, quali le prospezioni geofisiche, possono fornire contributi di conoscenza molto utili:

• determinazione della profondità del substrato roccioso e della morfologia dell'interfaccia tra terreni sciolti e massa rocciosa;

• determinazione di geometria, spessore ed estensione di corpi sepolti; • determinazione di geometria, spessore ed estensione di orizzonti a diverso comportamento elastico o

di diverse caratteristiche di conducibilità e caricabilità elettrica; • ricerca di cavità carsiche; • determinazione della velocità delle onde S per il calcolo del parametro Vs30, necessario per la

classificazione dei terreni per gli effetti sismici, come previsto dall'Ord. del P.C.M. n°3274 del 20/03/2003 e successive.

Reticolo carsico sotterraneo nell’abitato di Marina di Capilungo (Alliste – Lecce) (Leucci e De Giorgi, 2010)

Un'altro tipo di applicazione dei metodi geofisici è legato all’acquisizione ed elaborazioni di dati per la caratterizzazione delle strutture murarie ed in cemento armato. Sempre più spesso l’ingegneria civile si trova a dover fare i conti con spinosi e difficili problemi di recupero e restauro statico-architettonico del patrimonio edilizio. Fondamentalmente sono due le grosse categorie di edifici che in genere possono aver bisogno di intervento: · Edifici storici soggetti a tutela, in quanto parte del nostro patrimonio artistico e culturale; · Edifici adibiti ai più svariati usi, edificati abbastanza recentemente in muratura o in cemento armato, che necessitano di interventi di recupero a causa di lesioni più o meno marcate che ne denotano la fragilità. In questa ottica si inquadra l’utilità delle indagini non distruttive ed in particolare la tomografia sismica, il GPR e i metodi elettrici attivi e passivi. Grazie all’utilizzo della tomografia sismica è possibile caratterizzare il mezzo indagato dal punto di vista meccanico ed evidenziare quindi quelli che sono i punti di maggiore debolezza della struttura indagata. L’utilizzo della metodologia GPR consente di evidenziare l’esistenza di piccole fratture all'interno del calcestruzzo. L'utilizzo dei metodi elettrici consente di evidenziare lo stato di conservazione dei ferri allocati nel calcestruzzo. E' possibile realizzare: a) la stima del contenuto volumetrico in acqua all’interno della struttura in cemento armato;

b) la stima del diametro dei tondini in ferro allocati nel calcestruzzo; c) la valutazione della qualità del calcestruzzo e del suo grado di compattezza; d) la valutazione dello stato di conservazione dei ferri allocati all'interno del calcestruzzo. Sono pertanto in fase di studio relazioni empiriche che legano: i) l'ampiezza dell'energia dell'onda elettromagnetica riflessa al diametro dei tondini in ferro; ii) i valori della velocità di propagazione delle onde elettromagnetiche al contenuto volumetrico in acqua nei calcestruzzi; iii) i valori della velocità di propagazione delle onde sismiche alla qualità del calcestruzzo; iv) i valori di potenziale spontaneo allo stato di conservazione dei ferri allocati nel calcestruzzo.

AMBIENTE Le problematiche legate all’ambiente sono molteplici ed i metodi geofisici consentono la: 1) Caratterizzazione di siti contaminati per la definizione dell’estensione e del grado della contaminazione; 2) Valutazione dell’estensione di discariche abusive; 3) Caratterizzazione del materiale di discarica; 4) Localizzazione delle lesioni nelle geomembrane in esercizio; 5) Valutazione dello spessore dei rifiuti in discariche abusive; 6) Caratterizzazione della permeabilità di aree destinate ad ospitare discariche; 7) Delimitazione di liquami inquinanti; 8) Caratterizzazione degli acquiferi e protezione dall’inquinamento; 9) Determinazione del grado di contaminazione delle acque sotterranee;

ARCHEOLOGIA Le possibilità offerte dalle metodologie geofisiche per l’individuazione di strutture di interesse archeologico sono ben note. In generale l’applicazione di metodi geofisici per l’individuazione di strutture superficiali è resa difficile, oltre che dalla modesta entità delle anomalie geofisiche da individuare, anche dall’esigenza di avere un elevato grado di dettaglio. In questo senso il collegamento con la ricerca consente di comprendere meglio il tipo di indagine geofisica e il tipo di elaborazione dei dati più adatti per la risoluzione di un determinato problema archeologico.

Prospezioni geofisiche presso il sito archeologico di Ventarron (Perù) (Leucci e Masini, 2010)

BENI MONUMENTALI

L’acquisizione ed elaborazioni di dati geofisici per la diagnostica su strutture di notevole importanza storica e archeologica ha assunto negli ultimi anni una notevole importanza. La particolarità delle applicazioni è determinata da molti fattori, il più tipico dei quali è che gli “oggetti” (non più nella maggior parte dei casi “terreni”, ma manufatti, orpelli, parti di monumenti o monumenti interi, ecc..) sono accessibili da più di un lato, con più di una faccia disponibile per essere adoperata per immettere o per ricevere l’energia utilizzata per le misure geofisiche. Dal momento che questo tipo di applicazione ha necessità di ottenere un maggior potere risolutivo, le maggiori sofferenze riguardano il necessario ridimensionamento dei trasduttori per la ricezione e la trasmissione. Inoltre quando si utilizzano campi d’onda, il dettaglio richiesto implica l’utilizzo di lunghezze d’onda più piccole e quindi di frequenze più elevate. In particolare, se gli oggetti da mettere in evidenza sono superficiali, gioca un ruolo importante il “campo vicino” all’interno del quale non è possibile osservare alcun tipo di segnale.

Diagnostica non invasiva realizzata presso la Cattedrale di Tricarico (Leucci et al. 2011, Journal of Geophysics

and Engineering)

Slice alla profondità di circa 1 metro sul pavimento (antenne a

600 MHz)

Slices a 50 cm circa nelle pareti (antenne a 900 MHz)

Un’Immagine ottenuta mediante il sistema GPR impulsato (in

alto, antenne a 600 MHz, in basso antenne a 200 MHz)

Due immagini ottenute mediante il sistema GPR stepped

frequency riconfigurabile (antenne equivalenti ad alta

frequenza

Immagine 3D ottenuta mediante il sistema impulsato (scavo virtuale visitabile sul sito del laboratorio di informatica

applicata ai beni culturali dell’IBAM-CNR http://www.itlab.ibam.cnr.it/QTVR.html)

Diagnostica non invasiva realizzata presso la ex chiesa dello Spirito Santo (Gabellone et al., 2013, Near Surface Geophysics)

BOTANICA

L’acquisizione ed elaborazioni di dati geofisici per lo studio della stabilità degli alberi nei centri urbani è determinata da molti fattori, il più tipico dei quali è che gli alberi sono accessibili da più di un lato per quello che riguarda il tronco e dalla sola superficie del terreno per quello che riguarda le radici. Questo tipo di applicazione ha necessità di ottenere un maggior potere risolutivo e consente di evidenziare anomalie (elettromagnetiche, elettriche, sismiche) eventualmente correlabili a situazioni di degrado all'interno del tronco.

GEOLOGIA La Geofisica, con lo sviluppo di nuove tecniche di acquisizione ed elaborazione dei dati, può essere applicata alla risoluzione di problematiche di tipo geologico-stratigrafico. Grazie alla geofisica sono stati definiti i rapporti geometrici tra due unità litostratigrafiche di età oligo-miocenica (Formazione di Galatone e Formazione di Lecce). La definizione dei rapporti geometrici ha portato ad una corretta suddivisione della porzione oligo-miocenica della successione stratigrafica del Salento e all’inquadramento delle due formazioni in distinti domini paleografici, in un contesto più ampio, sia regionale sia dell’evoluzione geologica dell’intera area del Mediterraneo. La caratterizzazione elettromagnetica delle due Formazioni ha avuto come risultato finale quello di ottenere nel 2003 il riconoscimento ufficiale della Commissione Italiana di Stratigrafia sulle Formazioni, delle due Formazioni studiate ora contenute nei Fogli geologici d’Italia.

Applicazione del metodo GPR alla Geologia (Leucci, 2012) IDROGEOLOGIA La valutazione del contenuto volumetrico in acqua nei suoli e nelle formazioni rocciose in genere assieme alla distribuzione spaziale dello stesso è legato alla possibilità di utilizzo delle proprietà elettromagnetiche dei materiali indagati. Lo studio della complessità della teoria dei dielettrici consente di descrivere l'interazione tra l'acqua contenuta nei suoli e la tessitura e la composizione chimico-petrografica dei suoli stessi. Tale interazione coinvolge una serie di processi chimico-fisici tuttora non del tutto chiari, soprattutto in ragione delle differenti tipologie di suolo. Allo stato attuale non è disponibile un modello completo in grado di descrivere compiutamente le proprietà elettromagnetiche dei suoli. La calibrazione delle misure è un altro aspetto particolarmente importante; le misure dielettriche sono misure di tipo indiretto; il segnale di uscita di un dispositivo elettromagnetico, oppure la misura di velocità delle onde elettromagnetiche relative

ad una acquisizione GPR, devono essere correlate ai parametri dei suoli in condizioni perfettamente controllate. L'idrogeofisica, scienza che si occupa di questo aspetto, consente di: Evidenziare la stratigrafia di terreno alluvionale fino a diverse centinaia di metri di profondità - Localizzare i livelli potenzialmente acquiferi - Monitorare l’ingressione marina nelle falde acquifere - Realizzare ricerche idriche profonde - Studiare le sorgenti - Realizzare modelli di circolazione idrica sotterranea attraverso lo studio e l'individuazione delle principali vie di percorrenza dell'acqua

Modelli che descrivono la falda acquifera nel territorio comunale di Lecce (De Giorgi et al., 2011) GEOTECNICA La geotecnica è una materia molto complessa e vasta e, trattando argomenti quali la meccanica e dinamica delle terre e l’interazione terreno-struttura, necessita di una gran mole di informazioni. Mutuando la terminologia informatica la geotecnica può essere considerata come un “algoritmo di trasformazione” che risulta essere particolarmente sensibile ai dati di input, per quantità e qualità. Metodologie geofisiche di investigazione indiretta del sottosuolo come la sismica e le indagini vibrometriche consentono di perfezionare la qualità del segnale di input sulla base di alcuni aspetti particolari che, sulla scorta di relazioni empiriche (Leucci e De Giorgi, 2006), possono essere riassunti in alcuni punti essenziali: a) accuratezza dei risultati; b) rapidità di esecuzione; c) controllo in corso d’opera; d) economia dei costi. Grazie all'indagine geofisica è possibile:

la ricostruzione della geometria di una frana, nonché il controllo in corso d’opera dell’efficacia delle opere di consolidamento della stessa; la stima dei parametri legati alla qualità di un ammasso roccioso (densità di frattura, densità lineare di frattura, RQD, indice di discontinuità); la stime dei parametri geotecnici (densità di massa, modulo di Young, coefficiente di Poisson, coesione, indice di competenza, ecc.).

Monitoraggio della frana di Alcara Lifusi (Messina) (Leucci e Giannino, 2005)

E inoltre in fase di studio la possibilità offerta dai metodi geofisici per la valutazione della stabilità di cavità naturali e non nei centri urbani

Modelli di distribuzione dei fattori che determinano la stabilità a lungo termine (Leucci e Delle Rose, 2009)

GEOTERMIA Le fonti rinnovabili di energia sono sempre più chiamate in causa per assicurare la sostenibilità dello sviluppo dell'umanità, la necessità di energia è un aspetto fondamentale della vita di ciascun individuo, ma

nonostante ciò piuttosto nascosto o meglio velato; l'energia ci appare in molte forme differenti, al punto che risulta difficile valutarne l'effettivo e assoluto ruolo da protagonista che ha nella nostra quotidianità. Il laboratorio di Geofisica dell’IBAM si occupa delle possibilità di utilizzo delle fonti energetiche rinnovabili legate allo sfruttamento del calore presente all’interno della Terra a profondità economicamente accessibili. E’ stata messa a punto una metodologia che parte dallo studio delle caratteristiche geologiche, geomorfologiche, idrogeologiche e geofisiche del territorio per la realizzazione di modelli che ne consentono la caratterizzazione geotermica e che consente di giungere alla individuazione delle migliori soluzioni progettuali in termini di costi/benefici.

Modelli di velocità del flusso idrico sotterraneo, distribuzione 3D della resistività elettrica, distribuzione dei potenziali spontanei (De Giorgi et al., 2011)